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冻土中未冻水含量对其强度的影响

    问题的提出:众所周知,人们在吃雪糕或冰棍时,开始吃的时候,雪糕或冰棍非常坚硬,甚至连牙齿都咬不动,到后来其逐渐变软,可以用牙齿咬动。其原因何在呢?这是因为雪糕或冰棍从冰柜取出时,由于其温度较低,未冻水含量也相对较小,因此其强度较大,所以非常坚硬。到后来随着雪糕或冰棍温度的升高,其未冻水含量也逐渐增多,因此其强度就下降,所以逐渐变软。
    冻土学家程国栋院士说过:“青藏铁路成败的关键在路基,路基成败的关键在冻土,而冻土的关键又是融沉”。冻土是地-气之间热量交换的产物,对温度极为敏感,随着温度升降会产生"瘦""胖"变化。冬季温度降低,冻土在冻结的状态下体积膨胀,建在其上的路基和钢轨就会被它顶起来。到了夏季,冻土融化体积缩小,钢轨也就随之降下去。结冰的冻土硬如顽石,但融化后即成一滩烂泥,毫无承载力。这种冻结和融化随季节变化交替出现,就会造成路基翻浆、冒泥、不稳定,整个钢轨出现高低不平,甚至扭绞成麻花,影响正常通车。要在冻土上铺轨修建铁路,那么下伏冻土的稳定性以及冻土强度和承载力是火车运行的根本保障。
    影响冻土强度的因素很多,如温度、土类、初始含水量、溶液的成分和含量等,但冻土中未冻水含量是影响冻土强度的最主要因素。在室内我们对冻土的未冻水含量及冻土强度进行试验,并分析了冻土强度与未冻水的关系。
    冻土的未冻水含量试验:冻结后,并非土中所有的液态水已全部转变成固态的冰,其中始终保持一定数量的未冻水。冻土中未冻水的含量主要取决于三大因素:土质(包括土颗粒的矿物化学成分、分散度、含水量、密度、水溶液的成分和浓度)、外界条件(包括温度和压力)以及冻融历史。在冻土的单轴压缩试验中,随着温度的降低,冻土的强度将呈线性的增加。
    对于冻土温度的作用是非常重要的。温度的高低,不仅决定着冻土的形成与融化,而且决定着冻结状态下冻土中的未冻水含量的多少。负温越低,冻土中的未冻水含量将越少,且冻土的强度就越大。反之负温越高,冻土中的未冻水含量将越多,那么冻土的强度就越小。
    冻土的未冻水含量与冻土的强度:冻土的强度是随着未冻水含量的减少而增大。这是因为冻土中未冻水含量的减少,则冻土中冰的含量就相对地增加,冰对土颗粒的胶结作用增强,水的润滑作用减弱,从而使得冻土的强度大大增加。
  结论:
    1、冻土的未冻水含量是随着温度的降低而减小;在相同的负温条件下,未冻水含量受其土质、初始含水量和干容重等因素的影响而有所不同。当温度低于-10℃时,其未冻水含量随温度的减小速率减缓。
    2、冻土的抗压强度是随着温度的降低而增大,并且是呈线性的增加。
    3、冻土的强度是随着未冻水含量的减少而增大。由于冻土的强度是由固体颗粒土与冰的结合强度所决定的,因此冻土中冰的含量是影响冻土强度的主要因素。然而冰的胶结作用和未冻水的润滑作用在冻土中又是相辅相成的,如未冻水含量越低,其冰的胶结作用及与土颗粒的结合面积就增强,冻土所承受的荷载能力就增大,故其强度就大大增加。
 
(图1)
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